保护层开采上覆煤岩变形移动及瓦斯抽采效果.doc

保护层开采上覆煤岩变形移动及瓦斯抽采效果 摘 要根据潘三矿东四采区实际开采条件和回采工艺，运用数值模拟和现场试验相结合的方法，分析了近水平煤层保护层开采过程中被保护层应力、变形量、透气性系数在保护层开采过程中的演化机制。结果表明保护层开采过程中，被保护层存在未受影响区（原始应力区）、增压区、过渡卸压区、稳定卸压区和重新压实区，被保护层边界区域附近过渡卸压区内的透气性系数为原始透气性系数的30倍左右，煤体应力下降，产生了一定的膨胀变形，大大提高了瓦斯抽采效果。 关键词采矿工程；保护层；瓦斯抽采 中图分类号TD853.3∶TD712.6文献标识码A 文章编号1672-1098201202-0035-06 收稿日期2012-04-25 作者简介方昌才（1963-），男，安徽桐城人，高级工程师，学士，从事矿井通风安全工作。 The Deation Characteristic of overlying coal/rock and Gas Drainage Effect with Protective Seam Mining Fang chang-cai Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Amnhui 232000, China AbstractAccording to the geologic conditions and miningg technology of pansan coal mine, the evolution mechnism of stress, permeability and deation in process of protective coal seam mining are investigated. The results show that there are five zones in the protected coal seam during protective seam mining, which are unaffected zone, pressure increased zone, transitional stress releaf zone, stablized stress releaf zone，re-compacted zone. Permeability of proteted seam in protected boundary areas increases 30 times than original permeability. Decrease of stress in coal seam results in a certain degree of swelling deation, which greatly improve effect of gas extraction. Key wordsmining engineering; protective seam mining; gas extraction 我国保护层开采过程中，保护效果的考察，特别是保护边界的确定是沿用前苏联的相关参数与指标［1］。这与我国煤矿保护层开采的实际情况有一定的出入。根据近年来我国关于保护层开采的研究表明，前苏联关于保护层保护边界的划分偏于保守，特别是在目前地面钻孔广泛运用的前提下，被保护范围边界区域煤岩及瓦斯变化特征的研究对合理保护范围的确定更有其现实意义。 保护层开采作为最有效的区域防突措施，一直是国内外学者研究的热点。文献［2-3］分别应用数值模拟和相似模拟的方法得出下保护层开采过程中，被保护层卸压范围、膨胀变形、应力分布和透气性系数的变化。文献［4］运用损伤透气性耦合演化方程，研究了保护层开采过程中卸压瓦斯流动的机理。文献［5-7］对于煤与远程卸压瓦斯安全高效共采、上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽放技术、保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律、高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采和软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术进行了系统的研究，为煤与瓦斯共采指明了方向。但是，关于近水平远距离保护层开采过程中，被保护层边界区域煤岩及瓦斯压力变化规律的研究尚不多见。 1 煤岩体变形移动及保护范围 1.1 试验区概况 171711 保护层工作面位于潘三矿东四采区，工作面走向长度1 200 m，倾向长度240 m， 埋深为-722～-752 m， 开采11-2煤层， 平均倾角为5，平均煤厚2 m，保护13-1煤层，13-1煤层位于11-2煤层上方，平均层间距72 m，被保护层原始瓦斯含量为12～22 m3/t，瓦斯压力为3.5 MPa，煤层原始透气性系数为210-4m2/MPa2d。 1.2 数值计算模型 计算模型共建立16层煤岩（见图1），其中第三层和第五层分别代表13-1煤和11-2煤。煤岩具体力学及几何参数如表1所示。模型走向方向长300 m，垂直方向长120 m，共划分300120个单元，根据煤层赋存实际，上边界施加为10 MPa的地应力，左、右、下边界为位移约束边界， 保护层（11-2煤）采用一次采全高， 分步开挖全部跨落管理顶板， 依据实际开采强度， 每步开挖时间间距为1 d， 共开挖20步即开采时间为20 d， 总共开挖100 m。 图1 数值计算模型单位m 1.3 采场围岩空间应力分布特征 保护层开采过程中（见图2），随着工 摘 要根据潘三矿东四采区实际开采条件和回采工艺，运用数值模拟和现场试验相结合的方法，分析了近水平煤层保护层开采过程中被保护层应力、变形量、透气性系数在保护层开采过程中的演化机制。结果表明保护层开采过程中，被保护层存在未受影响区（原始应力区）、增压区、过渡卸压区、稳定卸压区和重新压实区，被保护层边界区域附近过渡卸压区内的透气性系数为原始透气性系数的30倍左右，煤体应力下降，产生了一定的膨胀变形，大大提高了瓦斯抽采效果。 关键词采矿工程；保护层；瓦斯抽采 中图分类号TD853.3∶TD712.6文献标识码A 文章编号1672-1098201202-0035-06 收稿日期2012-04-25 作者简介方昌才（1963-），男，安徽桐城人，高级工程师，学士，从事矿井通风安全工作。 The Deation Characteristic of overlying coal/rock and Gas Drainage Effect with Protective Seam Mining Fang chang-cai Pansan Coal Mine, Huainan Mining Group Co. Ltd., Huainan Amnhui 232000, China AbstractAccording to the geologic conditions and miningg technology of pansan coal mine, the evolution mechnism of stress, permeability and deation in process of protective coal seam mining are investigated. The results show that there are five zones in the protected coal seam during protective seam mining, which are unaffected zone, pressure increased zone, transitional stress releaf zone, stablized stress releaf zone，re-compacted zone. Permeability of proteted seam in protected boundary areas increases 30 times than original permeability. Decrease of stress in coal seam results in a certain degree of swelling deation, which greatly improve effect of gas extraction. Key wordsmining engineering; protective seam mining; gas extraction 我国保护层开采过程中，保护效果的考察，特别是保护边界的确定是沿用前苏联的相关参数与指标［1］。这与我国煤矿保护层开采的实际情况有一定的出入。根据近年来我国关于保护层开采的研究表明，前苏联关于保护层保护边界的划分偏于保守，特别是在目前地面钻孔广泛运用的前提下，被保护范围边界区域煤岩及瓦斯变化特征的研究对合理保护范围的确定更有其现实意义。 保护层开采作为最有效的区域防突措施，一直是国内外学者研究的热点。文献［2-3］分别应用数值模拟和相似模拟的方法得出下保护层开采过程中，被保护层卸压范围、膨胀变形、应力分布和透气性系数的变化。文献［4］运用损伤透气性耦合演化方程，研究了保护层开采过程中卸压瓦斯流动的机理。文献［5-7］对于煤与远程卸压瓦斯安全高效共采、上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯抽放技术、保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律、高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采和软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术进行了系统的研究，为煤与瓦斯共采指明了方向。但是，关于近水平远距离保护层开采过程中，被保护层边界区域煤岩及瓦斯压力变化规律的研究尚不多见。 1 煤岩体变形移动及保护范围 1.1 试验区概况 171711 保护层工作面位于潘三矿东四采区，工作面走向长度1 200 m，倾向长度240 m， 埋深为-722～-752 m， 开采11-2煤层， 平均倾角为5，平均煤厚2 m，保护13-1煤层，13-1煤层位于11-2煤层上方，平均层间距72 m，被保护层原始瓦斯含量为12～22 m3/t，瓦斯压力为3.5 MPa，煤层原始透气性系数为210-4m2/MPa2d。 1.2 数值计算模型 计算模型共建立16层煤岩（见图1），其中第三层和第五层分别代表13-1煤和11-2煤。煤岩具体力学及几何参数如表1所示。模型走向方向长300 m，垂直方向长120 m，共划分300120个单元，根据煤层赋存实际，上边界施加为10 MPa的地应力，左、右、下边界为位移约束边界， 保护层（11-2煤）采用一次采全高， 分步开挖全部跨落管理顶板， 依据实际开采强度， 每步开挖时间间距为1 d， 共开挖20步即开采时间为20 d， 总共开挖100 m。 图1 数值计算模型单位m 1.3 采场围岩空间应力分布特征 保护层开采过程中（见图2），随着工 面的推进，11-2煤层上方岩层不断跨落，形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。在被保护煤层走向方向上形成未受影响区（原始应力区）、过渡卸压区、稳定卸压区、重新压实区（见图3）。 当11-2煤层开挖为100 m时，垂直方向上，冒落带高度约为15 m，裂隙带高度约为35 m，这与实际测量结果比较吻合。 随着11-2工作面的推进，其采空区上方的13-1煤层的最大主应力与剪切应力开始下降，下降幅度与范围随着保护层开采范围的扩大而扩大。当开采达到75 m时，13-1煤层中部11-2采空区正上方最大主应力与剪切应力开始反弹；开采100 m时，被保护层中部出现被重新压实的现象即卸压开始减小（见图4）。 由此可见在被保护层过渡卸压区、稳定卸压区和重新压实区范围内最大主应力与剪切应力呈现“W”形分布。被保护层在走向方向上经历了未受影响区增压区（压缩）过渡卸压区（开始膨胀）稳定卸压区（膨胀变大）重新压实区（膨胀减小至稳定）。 对比数值模型与模型实验［8］见图5可知，被保护层切眼沿走向方向依次经历了压缩膨胀膨胀变形变大膨胀变形减小稳定阶段。这与数值模拟得出在被保护煤层走向方向上存在未受影响区（原始应力区）、过渡卸压区、稳定卸压区、重新压实区的结论基本一致。对比图4和图5可以看出，本次数值模拟得出最大主应力分布与模型实验中被保护层厚度变化趋势基本一致。 图5 模型实验 为了考察保护层开采过程中上覆煤层移动变形特性，在13-1煤层中测定了瓦斯压力、抽放半径，膨胀变形量等参数，所有数据均实现在线监测。 测压钻孔具体布置如图6所示，4测压钻孔处于理论保护线与13-1煤相交位置；28、29钻孔压力在保护层开采过程中持续下降但下降幅度要比4钻孔压力下降幅度小（见图7a～图7b），这说明应力在稳定卸压区要比过渡卸压区会下降更大的幅值；4、15测压钻孔在保护层开采过程中持续下降，即4、15测压钻孔处于应力降低区，这与数值模拟结果基本一致。轨1、轨2钻孔压力随着保护层工作面的推进持续增加，说明轨道顺槽向外一定区域存在应力增高区，这与数值模拟存在增压区的结果基本符合（见图7c）。 1.4 被保护层透气性和变形分布特征 随着保护层开采范围的扩大， 被保护层透气性系数随之增大， 分布范围也扩大（见图8）。 当保护层开挖100 m，实测被保护层最大透气性系数为0.12 m2/MPa2d，是原始透气性系数的600倍，高透气性系数分布在稳定卸压区，透气性系数在重新压实区有所减小但也维持在较高的范围，在过渡卸压区范围内透气性系数有所增加，约为原始透气性系数的30倍左右。 回采距离/m 当保护层开采100 m时，被保护层最大膨胀变形约为225 mm，为13-1煤层的3.75，在重新压实区，由于最大主应力的下降，被保护层的膨胀变形减小但仍然保持在较高范围，这与透气性系数分布较为一致（见图9）。 回采距离/m 1. 下沉量；2. 变形量 由图8、图9可知，被保护层透气性系数和膨胀变形在渡卸压区、稳定卸压区、重新压实区范围内呈现“M”形分布，与应力的“W”形分布正好对应。 当保护层开采100 m时的膨胀变形量是225 mm，与数值模拟结果基本上吻合（见图10）。 工作面推进距离/m 1. 1变形孔；2. 2变形孔 保护层开采稳定后，为考察地面钻孔抽采对17101（3）被保护层采面瓦斯压力所造成的影响，沿着17101（3）采面布置有3组考察孔（见图11）。在17101（3）轨顺布置A组考察孔；在17101（3）运顺布置B组考察孔；在17101（3）切眼沿走向布置C组穿层钻孔。在17101（3）采面布置的瓦斯抽采钻孔有1、2地面瓦斯抽采钻孔。上、下顺槽及切眼残余瓦斯压力和含量如表2所示。 图11 被保护层扩界范围（单位m） 17101（3）被保护层在地面抽采钻孔抽采条件下，切眼附近区域平均抽采率为55.74。在此抽采率条件下，17101（3）工作面上部边界瓦斯压力为0.27 MPa，17101（3）工作面下部边界瓦斯压力为0.16 MPa，17101（3）工作面切眼附近瓦斯压力为0.39 MPa，17101（3）工作面切眼向外15 m瓦斯压力为0.73 MPa。因此保护层开采配合地面抽采钻孔，在满足一定抽采率条件下，可以使保护层工作面与被保护层工作面等宽等长布置，但考虑到切眼向外15 m处瓦斯压力还处于相对高值，因此在进行切眼掘进工作时 要采取局部防突措施。 3 结语 在保护层开采过程中，被保护层存在五个区域分别为原始应力区、增压区、过渡卸压区、稳定卸压区、重新压实区；被保护层透气性系数和膨胀变形呈现“M”形分布，与应力的“W”形分布正好对应；由于被保护层在一定区域卸压膨胀，瓦斯抽采率大大提高。 参考文献 ［1］ 石必明，俞启香． 远距离保护层开采煤岩移动变形特性的试验研究［J］． 煤炭科学技术， 2005，33 2 39 -45． ［2］ 石必明，刘泽功． 保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟［J］．煤炭学报，2008，33 1 17-22． ［3］ 石必明.远距离下保护层开采覆岩煤变形及透气性变化规律的研究［D］.徐州中国矿业大学，2004. ［4］ 杨天鸿, 徐涛, 刘建新, 等. 应力-损伤-渗流耦合模型及在深部煤层瓦斯卸压实践中的应用［J］. 岩石力学与工程学报, 2005, 2416 2 900－2 905. ［5］ 程远平，俞启香，袁 亮，等，煤与远程卸压瓦斯安全高效共采试验研究［J］. 中国矿业大学学报，2004，332132–136. ［6］ 俞启香，程远平，蒋承林，等. 高瓦斯特厚煤层煤与卸压瓦斯共采原理及实践［J］. 中国矿业大学学报，2004，332127–131. ［7］ 袁亮. 卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系［J］.煤炭学报,2009,3411-18. ［8］ 涂敏,缪协兴,黄乃斌．远程下保护层开采被保护煤层变形规律研究［J］．采矿与安全工程学报，2006，233253-257．